CN107542878B - 一种无间隙弹性齿轮传动装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种无间隙弹性齿轮传动装置，包括第一齿轮和与其啮合的第二齿轮，在第一齿轮的各轮齿的齿侧设置有悬臂结构，所述悬臂结构在所述齿轮啮合时发生变形，形成弹性‑啮合传动。通过本发明的技术方案，能够将常规的刚性啮合运动用弹性结构的弯曲和压缩变形与齿轮轮齿的啮合运动复合起来实现弹性‑啮合传动，消除普通齿轮传动中的传动间隙、降低传动噪音。

Description

一种无间隙弹性齿轮传动装置

技术领域

本发明涉及一种传动装置，具体但不排他地，涉及一种无间隙弹性齿轮传动装置。

背景技术

一般的齿轮传动装置是通过两个齿轮轮齿的刚性接触传递动力和运动，轮齿在传动过程中会发生微小变形，为了解决轮齿变形对动力传动和运动传动的不利影响，通常采用齿形修形的方法提高传动的稳定性和承载能力。由于齿轮变形量很小，若采用多齿同时啮合的方式，对齿轮的制造提出更高的精度要求，例如RV减速器要求传动零件的制造精度达2微米左右，这将导致加工成本的急剧上升。同时，由于加工误差和变形的存在，齿轮传动精度一般情况下能够达到1-2角分，很难提高。采用齿轮径向变形的方法实现传动的谐波传动装置利用齿轮轮体的弹性简化了传动装置的结构，但是由于齿形间仍是刚性接触，很难消除轮齿间的间隙，且柔轮轮体的变形削弱了轮齿的整体刚性，因此这种传动形式的传动精度和传动刚度都不高。

传统的采用轮体径向变形和降低齿轮切向刚度实现多齿同时啮合的方法都存在性能的限制和加工制造上的障碍，如何在较低的制造精度下实现多齿同时啮合或即使在单齿啮合情况下也能获得高的传动刚度和传动精度就成为急需解决的问题。

在研制和应用零点精密定位机床夹具过程中发现，弯曲的悬臂梁的轴向刚性很高但是弯曲刚度不高，在两相邻悬臂梁之间如果插入一个两边都具有微小倾角的斜楔，即使它们的制造精度不够高，该斜楔也可以处于一个非常稳定的位置，即利用悬臂梁的弯曲变形可以实现精密的配合，且降低对制造精度的要求。

齿宽是指齿轮实体在轴向上的长度(齿轮端面之间的长度)，齿厚指的是在齿轮端面上一个齿的两个齿侧面之间的圆周距离。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是在保证齿轮传动强度的同时消除普通齿轮传动中的传动间隙、降低传动噪音，进而解决我国高档多轴联动数控机床中精密数控转台和机器人关节减速器的设计制造难题，特别是解决矩形阵列机床中的数控转台的无间隙传动问题，为此目的，本发明提出一种无间隙弹性齿轮传动装置，包括第一齿轮和与所述第一齿轮啮合的第二齿轮：

在所述第一齿轮的各轮齿的齿侧设置有悬臂结构，该悬臂结构在齿宽方向上与所述齿轮相等。齿轮端面上，优选地，该悬臂结构在齿侧上的位置为所述第一齿轮从齿根到齿顶方向25％-75％齿全高的位置。因该区段齿轮压力角较小，齿轮受力状态良好。在齿轮端面上，该悬臂结构宽度的选取要视两齿轮传动受力大小和所选用齿轮加工材料而定。选定的依据是，使齿轮传动在满足接触疲劳强度的同时具有一定的弯曲变形能力。

所述悬臂结构的悬臂端相对于对应的轮齿的齿侧面突出一长度A。当仅在齿轮轮齿的单侧设置有悬臂结构时，悬臂结构的悬臂端要超出该单侧齿廓一定距离，悬臂结构与齿轮轮齿的另一侧固连；当在齿轮轮齿的两侧均设置有悬臂结构时，两个悬臂结构的悬臂端均应分别超过齿轮轮齿的两个齿侧面一定距离，两悬臂结构在齿轮轮齿中间固连。以上两种情况下，悬臂结构的总长度和悬臂端超出齿侧面的距离要依据所述两齿轮传动受力的大小和两齿轮齿侧之间的间隙确定。确定的依据是，当仅在单侧设置有悬臂结构时，悬臂结构在受到外力的作用下将产生压缩和弯曲变形，该综合变形量使得超出单侧齿廓的距离的最终长度在悬臂结构中心线方向的投影恰巧等于两齿轮齿侧之间的间隙，而悬臂结构的宽度和总长度的选定就是要使悬臂结构能在保证传动强度的同时使悬臂结构能产生上述综合变形，使所述第一齿轮和所述第二齿轮形成无间隙弹性-啮合传动。当在齿轮轮齿的两侧均设置有悬臂结构时，齿轮可实现正反转均无间隙传动，其参数值的选取与单侧有悬臂结构时相同。

优选地，当所述第一齿轮、所述第二齿轮的啮合点与所述悬臂结构的沿齿厚方向的中心线相交时，所述啮合点的法线方向与所述悬臂结构的沿齿厚方向的中心线的夹角为锐角B，使得啮合点处所受的沿啮合点法线方向的外力分解成沿悬臂结构的中心线和垂直于悬臂结构的中心线的两个分力，分别使悬臂结构产生压缩和弯曲变形。该角度的大小控制着悬臂结构综合变形量中压缩变形量和弯曲变形量之间的比例关系，使相互啮合的轮齿中的悬臂结构发生足够的变形以便消除两个齿轮之间的间隙。

优选地，所述悬臂结构的悬臂端相对于对应的轮齿的齿侧面突出一长度A与所述第一齿轮、所述第二齿轮两齿廓的齿侧间隙的差值为0.01mm-0.05mm。

优选地，所述悬臂结构包括分别设置在相应的轮齿的两侧的两个悬臂结构，以便实现齿轮在双向传动时消除间隙。

优选地，所述悬臂结构在齿轮端面上的宽度为齿全高的1％-50％。

优选地，所述锐角B为5°-15°。

优选地，所述悬臂结构的顶部形状为T型，以增加第一齿轮与第二齿轮的啮合接触面积，并同时降低悬臂结构的抗弯强度。

通过上述技术方案，将常规的刚性啮合运动用悬臂结构的弯曲变形和压缩变形与齿轮轮齿的啮合运动复合起来实现弹性-啮合传动，达到消除齿侧间隙的目的。其有益效果在于：1)利用轮齿上悬臂结构的弯曲和压缩变形而不是齿轮基体的径向变形在不显著降低传动刚度的情况下降低制造精度要求；2)利用轮齿上悬臂结构的弯曲变形和压缩变形实现无间隙传动，突破普通齿轮传动具有传动间隙的问题；3)轮齿上的悬臂结构由于变形的存在可以降低啮合开始和接触过程的冲击，降低传动装置的噪音。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1(1)为单点啮合传动形式示意图，图中S1、S2分别为相啮合的两个齿轮的局部齿形，此时两齿轮在一个轮齿的单侧点PB处啮合。PA、PC、PD分别为邻接的2组齿廓的其它3个接近区域，它们在齿形上的位置通常随着传动的进行不断变动；

图1(2)是多齿同时啮合形式示意图，此时两齿轮在两相邻齿廓的单侧点PB和点PD处相啮合，PA和PC为两齿轮其它两处接近区域；

图1(3)为多齿双向多点啮合形式示意图，此时两齿轮在一个轮齿的两侧点PB、PC、处和与该轮齿邻近的两齿廓的点PA、PD处共四点处同时啮合；

图1(4)是单齿廓双向多点啮合形式示意图，此时两齿轮在一个轮齿的两侧PB、PC处相啮合；

图1(5)为两条齿形曲线啮合点的啮合情况示意图，图中P为两个轮齿的啮合点，当力的方向确定时，该点所处的齿廓的位置(左侧还是右侧)随之确定，不失一般性，设S1的轮齿的左侧与S2齿廓的左侧接触，啮合点为P。t、n分别为啮合点P的齿形的切向和法向矢量，a为与n保持夹角B的矢量，它是图1(6)、1(7)中的悬臂结构的中心线，该角度可以通过控制弯矩大小来控制悬臂结构的变形量；

图1(6)是在一个轮齿的两侧分别有一个悬臂结构的情况示意图。L1、L2为两个悬臂结构，P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7分别是悬臂结构L1、L2上的角点；

图1(7)是在一个轮齿的单侧有一个悬臂结构。L1为该悬臂结构，P1、P2、P3、P4为悬臂结构上的角点。

图2为双悬臂结构装置的剖视图，表示了不同结构要素之间的相互关系。其中1表示外齿轮，2表示与1齿轮相啮合的内齿轮。101为所述悬臂结构，102为悬臂结构与内齿轮2形成弹性接触的端面，103为外齿轮1的齿底；201为内齿轮2的轮齿，202为与悬臂结构端面相啮合的内齿轮的齿侧，203为内齿轮的齿顶

图3为齿轮1的局部放大视图；

图4为齿轮2的局部放大视图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

共轭齿廓曲线的形成有多种不同的过程，具体如下：

1.多段曲线方式：采用两条渐开线相互啮合的方式，此时两个齿轮上的曲线满足同一类方程并形成等速比啮合传动关系。但是一条渐开线只能实现一个方向的运动和动力传递，要实现另一个方向的运动和动力传递，还需要增加一组相反的渐开线，两组相对着的渐开线正好构成一个轮齿的两个侧面。渐开线齿形具有可分性，但是在节圆以外也会发生滑动摩擦。渐开线齿形因为弯曲方向的单一性导致齿顶和齿根容易发生干涉，形成顶切和根切。

2.连续曲线方式：当一个齿轮的齿廓选定为连续曲线后，与之相对应的共轭齿廓可以通过合适的计算方法求解获得。但此时该共轭齿廓会出现多种不同的情况：(1)无干涉共轭齿廓：共轭齿廓由连续曲线包络形成，且无干涉发生；(2)部分干涉共轭齿廓：共轭齿廓曲线可以分成2段，其中一段是由连续曲线包络生成，另一部分(齿顶或齿根)则是由连续曲线形成的齿廓的齿顶干涉运动形成。

3.离散点方式：一个齿轮上的齿廓是若干离散的点或圆，另一个齿轮上的齿廓为摆线或类似的连续曲线，此时，一个齿轮上的点或圆将与另一齿轮上连续的曲线形成滑动或滚动。

4.近似包络式：谐波传动的齿形是在刚轮与柔轮都处于圆形的情况下设计和制造的，但是柔轮是工作在椭圆形工况下的，因此其理论齿廓具有近似性，即二者不构成理论上的包络运动关系，但是由于柔轮可以变形，因此谐波减速器是工作在近似包络齿形和弹性变形两种机理之下的传动形式。由于弹性的存在，谐波传动比较容易形成多点同时啮合状态，但是由于基体刚性差，这种传动形式存在刚性不足的问题；由于存在理论啮合误差，这种传动的精度一般不是很高，但是通过合适的修形使之接近理论上正确的包络运动关系后可以获得较高的精度。

考虑到上述多种齿形的形成方式，可以出现多种不同的啮合形式。图1(1)-(4)是四种常见的齿轮啮合形式。图中S1、S2分别为相啮合的两个齿轮的局部齿形，PA、PB、PC、PD分别为邻接的2组齿廓的4个接近区域，它们通常会在齿形上随着传动的进行不断变动，设P为两个轮齿一个啮合点，当力的方向确定时，该点所处的齿廓的位置(左侧或右侧)随之确定，不失一般性，设S1轮齿的左侧与S2齿廓的左侧接触，啮合点为P。

图1(1)为单点啮合传动形式，即两个齿轮只在PB点处保持啮合，且PB处的理论啮合点在传动过程中沿着两个齿轮的齿形曲线顺序移动。这种传动从理论上看是无效的，因为在传递单向扭矩时，两个齿轮都只在单侧形成啮合传动，理论重合度小于1，带来传动比不准确的问题。但是如果在一定时间内啮合点在一个齿廓上运动时两个相互啮合的轮齿和齿槽之间的间隙都非常小，那么这种传动形式就具有合理性。实际情况是，当一个内齿轮和一个外齿轮啮合且齿数很多、齿形曲线不是因为顶切方式形成时，一个齿轮的轮齿和另一个齿轮的齿槽形状非常接近，各处间隙小于1-2微米，几乎形成了面接触，此时形成的传动具有足够高的精度且具有很高的承载能力。

图1(2)是多齿同时啮合形式，此时的齿形是当某些参数超过某一限度后因为发生齿顶干涉而形成的，最多可以实现所有齿同时接触。多齿啮合点会基本对称地出现在轮齿的左侧和右侧。

图1(3)为多齿双向多点啮合形式，此时齿形的左右两侧分别由两条曲线构成，相当于将两个齿轮叠加在一起，每个齿轮负责一个方向的传动。双侧采用渐开线齿形和调节好两个齿轮的中心距即可实现多齿形双侧同时啮合。

图1(4)是在重叠系数较小时的图1(3)的情况，即单齿廓双向多点啮合形式，此时至少有一个齿轮的一个齿槽和另一个齿轮的一个轮齿的两侧同时接触。

本发明的一个实施例，一种无间隙弹性齿轮传动装置，包括第一齿轮和与之啮合的第二齿轮，在第一齿轮的各轮齿的齿侧设置有悬臂结构，悬臂结构在齿宽方向的长度与所述齿宽相等，悬臂结构的悬臂端相对于对应的轮齿的齿侧面突出一长度A，使第一齿轮和第二齿轮形成弹性-啮合传动。

优选地，按照图1(1)-(4)所示的一种方式设计出一个齿轮的轮齿厚度足够大的齿形曲线，当齿轮分度圆半径不够大时，可以将一个齿轮的轮齿厚度设计成远大于其齿槽宽度的结构。当齿轮轮齿厚度足够大时可以在轮齿的左右按照图1(6)各加工出一个悬臂结构；当齿轮轮齿厚度较小时可以选择在该齿轮的左侧或右侧按照图1(7)加工出一个悬臂结构。

在一些实施例中，如图1(5)所示，图中t、n分别为啮合点P的齿形的切向和法向矢量，a为与n保持锐角B的矢量，它是图1(6)中的悬臂结构的中心线，该角度可以通过控制弯矩大小来控制悬臂结构的变形量，使相互啮合的轮齿中的悬臂结构发生足够的变形以便消除两个齿轮之间的间隙。优选地，锐角B为5°-15°。

在一些实施例中，如图1(6)所示，L1、L2为两个悬臂结构，P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7分别是L1、L2上的角点。

优选地，如图2所示，悬臂结构包括分别设置在相应的轮齿的两侧的两个悬臂结构，两个悬臂结构的悬臂端均应超出轮齿侧面一定距离，两悬臂结构在轮齿中间固连，以便实现齿轮在双向传动时消除间隙。

优选地，悬臂结构的径向厚度为齿全高的1％-50％。

在一些实施例中，如图2-图4所示，悬臂结构相对于对应的轮齿的齿侧面突出长度为A。优选地，长度A与第一齿轮、第二齿轮两齿廓的齿侧间隙的差值为0.01mm-0.05mm。

优选地，如图2所示，齿轮1、2的齿厚的宽度与齿槽的宽度不相等，齿形通过本发明的其中一个发明人陈志同的另一项发明专利“一种可用于机器人关节减速器的余弦渐开线少齿差传动装置”提供的计算方法获得，但并不限于该种齿形。

优选地，悬臂结构的顶部形状为T型。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种无间隙弹性齿轮传动装置，其特征在于，包括第一齿轮(1)和与所述第一齿轮(1)啮合的第二齿轮(2)，在所述第一齿轮(1)的各轮齿的两侧设置有悬臂结构，所述悬臂结构在齿宽方向的长度与所述齿宽相等，所述悬臂结构的悬臂端相对于对应的轮齿的齿侧面突出一长度，所述长度大于所述第一齿轮(1)、所述第二齿轮(2)两齿廓的齿侧间隙，所述长度与两齿廓的齿侧间隙差值为0.01mm-0.05mm；

所述第一齿轮(1)的悬臂结构的中心线(a)与所述第二齿轮(2)的啮合点(P)处的法线(n)的夹角为锐角(B)，夹角(B)设置为5°-15°。

2.根据权利要求1所述的无间隙弹性齿轮传动装置，其特征在于，所述悬臂结构的径向厚度为齿全高的1％-50％。

3.根据权利要求1或2所述的无间隙弹性齿轮传动装置，其特征在于，所述悬臂结构的顶部形状为T型。

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